1、第八章 直流電動機,與交流電動機相比，直流電動機的結構復雜，使用和維護不如交流異步機方便，而且要使用直流電源。,直流電動機的構造,極掌,極心,勵磁繞組,機座,轉子,直流電動機的磁極和磁路,直流電機由定 子(磁極)、轉子 (電樞)和機座等 部分構成。,8.1 直流電機概述,1. 轉子（又稱電樞） 由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。,2. 定子,定子的分類：,勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電 產生磁通，稱為勵磁。,8.1 直流電機概述,根據勵磁線圈和轉子繞組的聯接關系，勵磁式的直流電機又可細分為：,他勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的電源分開。,并勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞并聯到同一電源上。,串勵

2、電動機：勵磁線圈與轉子電樞串聯接到同一電源上。,復勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的聯接有串有并，接在 同一電源上。,8.1 直流電機概述,工作原理,電刷,集電環,8.1 直流電機概述,觀看工作過程演示,8.1 直流電機概述,汽車用起動機由直流電動機、傳動機構、控制裝置三部分組成。,8.2 直流電機調速,1. 調速均勻平滑，可以無級調速(注：交流異步電機改變極對數調速的方法叫有級調速)。 2. 調速范圍大，調速比可達200 以上(調速比等 于最大轉速和最小轉速之比）,因此機械變速 所用的齒輪箱可大大簡化。,主要優點：,由轉速公式:,可見直流電機調速方法有三種。,8.2 直流電機調速,可見：在U 一

3、定的情況下，改變可改變轉速n 。,改變磁通調速,保持電樞電壓U不變，改變勵磁電流If (調Rf)以改變磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用減少勵磁電流(減弱磁通)的方法調速, 即：,改變磁通調速的方法：,減小磁通，n只能上調。,改變時的機械特性如圖。,(1)調速平滑，可得到無級調速；但只能向上調，受 機械本身強度所限，n不能太高。 (2) 調速設備簡單，經濟，電流小，便于控制。 (3) 機械特性較硬，穩定性較好。 (4) 對專門生產的調磁電動機,其調速幅度可達, 例如5302120 r/min及3101 240 r/min 。,減小 調速的特點：,(1) 若調速后 Ia 保持不變，電動機

4、在高速運轉時其負載轉矩必須減小。 (2) 這種調速方法只適用于恒功率調速(如用于切削機 床)。,使用調磁調速時應注意：,8.2 直流電機調速,8.2 直流電機調速,改變電壓調速,由轉速公式知： 調電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。,(3)均勻調節電樞電壓，可得到平滑無級調速。,(4)調速幅度較大。,調速過程:,保持If 為額定,減小電樞電壓。,改變電壓調速需要用電壓可以調節的專用設備，投資費用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調壓和調磁，以改變它的轉速。,8.2 直流電機調速,改變電壓調速的特點:,(1)工作時電壓不允許超過UN ，而n U, 所以調速只能

5、向下調。,(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩定性好。,電樞回路串電阻調速,電樞中串入電阻,使 n 、 n0不變，即電機的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下,n。特性曲線如圖。,電樞回路串電阻調速需在電樞中串入專用電阻，電阻增大則轉速下降，因此 n 只能下調。,特點：(1) 設備簡單，操作方便。,(2)機械特性軟，穩定性差。,(3)能量損耗大，只用于小型直流機。,8.2 直流電機調速,一、直流電動機的起動 1、對起動性能的要求： Tst足夠大 Ist盡量?。ㄐ∮谠试S值）,8.3 直流電機的起動和制動,直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。,8.3 直流電機的起動和制動,Ias

6、t太大會使換向器產生嚴重的火花,燒壞換向器；,起動時,n =0 ,2. 起動問題：,(1) 起動電流大,(2) 起動轉矩大,起動時，起動轉矩為(1020)TN , 造成機械沖擊，使傳動機構遭受損壞。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,(1) 電樞串電阻起動法,(2) 降壓起動法：,直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產生事故：,在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。,最大起動電壓Ust為,3.起動方法,8.3 直流電機的起動和制動,4.注意事項,(1)如果電動機是靜止的，由于轉矩太小(T=KT Ia

7、) , 電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流 很大，電樞繞組有被燒壞的危險。,(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢 E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產生的轉矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。,(3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭受嚴重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。,（ E Ia T T0 n飛車）,8.3 直流電機的起動和制動,二、直流電動機的制動（電磁制動） 一般保持原磁場大小，方向不變。 能耗制動 反接制動 回饋制動,8.3 直流電機的起動和制動,8.3 直流電機的反轉,例：串勵的

8、單相手電鉆，利用勵磁電流和電樞電流兩者的方向同時改變時而轉向不變的原理，采用特別的串勵電動機，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。,電磁轉矩：T=KT Ia,(1) 改變勵磁電流的方向。 (2) 改變電樞電流的方向。,注意：改變轉動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。,改變直流電機轉向的方法有兩種：,8.4 直流電機的驅動,一. 直流電機驅動電路的設計目標 在直流電機驅動電路的設計中，主要考慮一下幾點： 功能： 電機是單向還是雙向轉動？ 對于單向的電機驅動，只要用一個大功率三極管或場效應管或繼電器直接帶動電機即可；當電機需要雙向轉動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者

9、使用一個雙刀雙擲的繼電器。 需不需要調速？ 如果不需要調速，只要使用繼電器即可；但如果需要調速，可以使用三極管，場效應管等開關元件實現PWM（脈沖寬度調制）調速。,8.4 直流電機的驅動,性能：對于PWM調速的電機驅動電路，主要有以下性能指標。 1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅動多大功率的電機。 2）效率，高的效率不僅意味著節省電源，也會減少驅動電路的發熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關工作狀態和防止共態導通（H橋或推挽電路可能出現的一個問題，即兩個功率器件同時導通使電源短路）入手。 3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電

10、路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現隔離。 4）對電源的影響。共態導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導致地線電位浮動。 5）可靠性。電機驅動電路應該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。,8.4 直流電機的驅動,一. 低壓驅動電路的簡易柵極驅動,8.4 直流電機的驅動,二. 三極管-電阻作柵極驅動,8.4 直流電機的驅動,三. 其它幾種驅動電路,1.繼電器半導體功率器件 繼電器有著電流大，工作穩定的優點，可以大大簡化驅動電路的設計。在需要實現調速的電機驅動電路中，也可以充分利用繼電器。有一個方案就是利用繼電器來控制電流方向來改變電機轉向

11、，而用單個的特大電流場效應管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來實現PWM調速,如下右圖所示。這樣是實現特別大電流驅動的一個方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線如下左圖,線圈接線如下中圖：,8.4 直流電機的驅動,三. 其它幾種驅動電路,1.繼電器半導體功率器件,8.4 直流電機的驅動,三. 其它幾種驅動電路,2. 幾種驅動芯片 L298參考 A3952參考 A3940參考 L6203參考 ,直流電機的銘牌數據,額定值 是制造廠對各種電氣設備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規定的一些量值。在額定狀態下運行時，可以保證各電氣設備長期可靠地工作。并具有優良的性能。額

12、定值也是制造廠和用戶進行產品設計或試驗的依據。額定值通常標在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。,8.5 直流電機的額定值,額定功率 PN指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時，電機的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 kW 或 MW 表示。 對于直流電機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應有效率N存在。PNUNINN,8.5 直流電機的額定值,直流電機的銘牌數據,額定電壓 UN指額定狀態下電樞出線端的電壓，以 “V” 為量綱單位。 額定電流 IN指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 “A” 為量綱單位。 額定轉速 nN指額定狀態下運行時轉子的轉速，以r/mi

13、n為量綱單位。 額定勵磁電流 If指電機在額定狀態時的勵磁電流值。,8.5 直流電機的額定值,交流電動機,電動機,直流電動機,他勵、異勵、串勵、復勵,第九章 交流電動機驅動,9.1 交流電動機原理和結構,9.1.1 三相異步機的結構,轉子：在旋轉磁場作用下， 產生感應電動勢或 電流。,三相定子繞組：產生旋轉 磁場。,9.1 交流電動機原理和結構,定子鐵芯:是電機磁路的一部分，定子鐵芯內圓上均勻開有槽，安放定子繞組。 機座:是用作固定與支撐定子鐵芯。 定子繞組:是電機電路部分，它由三個在空間相差120電角度、結構相同的繞組連接而成，按一定規律嵌放在定子槽中。 繞組分類：單層繞組和雙層繞組。 繞組

14、應用：單層繞組一般用在10kV以下的電機，雙層短距繞組用在較大容量的電機中。,9.1 交流電動機原理和結構,極距是指每一磁極所占定子內圓周的距離，即有 節距y是指線圈兩有效邊之間的距離。單層繞組是整距繞組，即有y= 每極每相槽數q是指一個磁極下一相繞組所占有的槽數，即有：,9.1 交流電動機原理和結構,相帶：是指一相繞組在一個磁極下連續所占的范圍。 機械角：電機圓周空間角度為360或為2弧度，稱這種角度為機械角。對于一對磁極由NSN變化一周相當于360電角度或為2電弧度。當電機有p對磁極時，電角度=p機械角。 分析：每一磁極占180電角度，三相繞組的每相繞組在一個極下只占三分之一，即60相帶。

15、,9.1 交流電動機原理和結構,9.1.2 交流電動機的基本工作原理: 工作時定子輸入三相交流電，產生旋轉磁場，旋轉磁場的磁極將轉子的異性磁極吸引，使轉子旋轉。,9.1 交流電動機原理和結構,定子三相繞組通入三 相交流電(星形聯接),9.1 交流電動機原理和結構,9.1.2 三相異步電動機的工作原理,e方向用 右手定則 確定,f方向用 左手定則 確定,磁場旋轉,9.1 交流電動機原理和結構,磁極旋轉,導線切割磁力線產生感應電動勢,導線長,切割速度,（右手定則）,9.1 交流電動機原理和結構,2. 線圈比磁場轉得慢,9.1 交流電動機原理和結構,9.1 交流電動機原理和結構,轉子是閉合線圈,轉子

16、是固定磁極,同步電動機在結構上比異步機復雜，但比直流機簡單。和同容量的直流機相比，它具有效率高，過載能力大，體積小，轉動慣量小，等優點，并可做到大容量、高電壓、高轉速。和異步電動機調速系統相比，它具有功率因數高、轉子參數可測、效率高、控制性能好等優點。,9.1 交流電動機原理和結構,同步調速系統的缺點,（1）同步機需在轉子側加一套勵磁裝置，其維護量增加。,（2）同步機的控制比異步機的復雜。,電動機轉速和旋轉磁場同步轉速的關系,電動機轉速（額定轉速）:,提示：如果,9.1 交流電動機原理和結構,9.1 交流電動機原理和結構,9.1.3 交流電動機的轉速 同步電機在運行時，其轉速n1與定子繞組中電

17、網頻率f1之間有著嚴格的關系，即： n1為同步電機轉子的轉速，也是氣隙旋轉磁場的轉速，故稱它為同步電機。,轉差率 的概念：,異步電機運行中:,轉差率為旋轉磁場的同步轉速和電動機轉速之差。即：,9.1 交流電動機原理和結構,異步電機在運行時：,9.1 交流電動機原理和結構,一、三相異步機的起動方法：,（1） 直接起動。二三十千瓦以下的異步電動機一般 采用直接起動。,（3）轉子串電阻起動。,9.2 交流電動機運動控制,直接起動 優點：設備簡單，操作方便； 缺點：起動電流大，須足夠大的電源； 適用條件：小容量電動機帶輕載的情況起動。 降壓起動 如果電源容量不夠大，可采用降壓起動。即起動時，降低加在電

18、動機定子繞組電壓，起動時電壓小于額定電壓，待電動機轉速上升到一定數值后，再使電動機承受額定電壓，可限制起動電流。,9.2 交流電動機運動控制,僅適用于正常運行為三角形聯結的電機。,Y 換接起動適合于空載或輕載起動的場合,9.2 交流電動機運動控制,方法：和電源相接的任意兩相互換，就可實現反轉。,二、三相異步電動機的正、反轉,9.2 交流電動機運動控制,1. 抱閘：加機械抱閘,三、 三相異步電動機的制動,3. 能耗制動,4.發電反饋制動,2. 反接制動： 停車時，將電動機接電源的意兩相反接， 使電動機由原來的旋轉方向反過來，以達 制動的目的；,9.2 交流電動機運動控制,四、三相異步電動機的調速

19、,9.2 交流電動機運動控制,3. 改變電源頻率 (變頻調速) 無級調速,此種調速方法發展很快，且調速性能較好。其主要環節是研制變頻電源（常由整流器、逆變器等組成）。,9.2 交流電動機運動控制,9.3 變頻調速,變頻調速技術于80年代初開始在國內開發應用，它最典型的應用是在電機節能領域。在發達國家，變頻器在電機上運用的普及率已達到80%以上。據統計，法國每一美元國民生產總值的能耗為8.719KJ，日本為9.797KJ，而中國卻高達43.394KJ。據日本科學技術資源廳調查會推薦，日本如果在全國采用變頻調速器可節約日本總電力的10%。,9.3 變頻調速,我國國家經貿委節約綜合利用司在1996年

20、就曾組織國內20多名專家編寫風機水泵節能改造指南一書，2000年7月國家計委又組織上海江蘇兩省市節能機構推廣變頻調速節能技術。在應用方面，遼河油田采用變頻技術，安裝了25臺變頻器1818.2KW，年節約電能約602萬度，平均節電率在35%以上。近兩年來，隨著變頻器在恒壓供水、紡織、機車空調、家電行業、注塑行業等領域的應用所取得的節電效益，變頻器在中國已邁入一個飛速發展和推廣普及的嶄新時代。,9.3 變頻調速,當前，電機是我國最主要的耗電機電設備，它約占企業整體耗電量的50%左右，而對于每一個生產性企業而言，電費在運作成本中所在比率約為20-50%。因此，如何節約電能，降低成本，提高生產效益和企

21、業競爭力，是每個企業家所特別關注的問題,9.3 變頻調速,變頻調速方法,頻率調節范圍：0.5幾百赫茲,9.4 變頻調速原理,根據,9.4 變頻調速原理,各類電力電子器件,類型,不可控器件,代號,名稱,全控器件,半控器件,電流控器件,場控器件,功率集成電路,D,整流二極管（Diode),Th、SCR,晶閘管（Thyristor),BJT,雙極型晶體管（Bipolar Transistor),GTO,門極關斷晶閘管（Gate Turn-off),P-MOSFET,電力場效應晶體管,IGBT,絕緣柵雙極型晶體管,MCT,場控晶閘管,PIC,功率集成電路,1.交直交變頻調速帶直流環節的間接變頻調速 2

22、.交交變頻調速不帶直流環節的直接變頻調速,9.4.1變頻調速系統分類,9.4.1變頻調速系統分類,-,-,脈沖寬度調制型,晶閘管直流開關,相位控制晶閘管整流,調壓方式,電流型,電壓型,直流電源型式,通電型）,帶輔助晶閘管（,通電型）,帶輔助晶閘管（,串級二極管式,串級電感式,換流電路,交變頻調速,直,交,120,180,9.4.1變頻調速系統分類,l電壓型變頻調速系統,9.4.2 交直交變頻調速,1.主電路 整流器、逆變器（逆變電路和換流電路）和電容（中間環節、濾波）。,2.逆變器的換流原理 工作方式180o、120o 通電型。 以單相為例，C預充電 穩態導通階段 開始換流階段 振蕩換流階段

23、振蕩衰減階段 反饋階段 換流結束階段。,9.4.2 交直交變頻調速,1) VS1、VS2主晶閘管，VS1、VS2 輔助換流晶閘管，作為LC振蕩電路的充放電開關。 2) 通過觸發VS1、VS2，反向關斷VS1、VS2。 3) 通過LC串聯諧振電路中的電流反向，關斷VS1、VS2。,9.4.2 交直交變頻調速,l電流型變頻調速系統,1.主電路 整流器、逆變器和直流濾波電抗器（中間環節）。 l 常用串聯二極管式逆變電路。 l電抗器濾波，輸出電流較平直，為矩形波。,9.4.2 交直交變頻調速,2.強迫換向電路 1)C為換向電容，V為隔離二極管，與主晶閘管串聯。 2)換流電路為120o導電型，同一相兩只

24、SCR同時導通，脈沖間隔（相位差）為180o。 3)兩只相鄰SCR，脈沖間隔為60o（正轉時觸發VS1、2、3、4、5、6、1，反轉時觸發VS6、5、4、3、2、1、6）。 4)兩相輪流導通，脈沖間隔為120o（1-3-5或2-4-6）。,注： l 電壓型變頻調速系統，采用電容濾波，電源阻抗很小，類似電壓源。 l 電流型變頻調速系統，采用電抗器濾波，電源阻抗很大，類似電流源。,9.4.2 交直交變頻調速,l差別： 1.電流型直流側采用大電感L濾波（而形成直流源）。 2.三相整流橋、逆變器的交流側輸入電流都為120o方波交流電流。 3. L有保護性能，抑制故障電流上升。 4. 逆變橋內無電感，簡

25、化主回路。 5. 整流橋和逆變橋方向不變（反饋二極管橋不與逆變橋反并聯）。 6. 整流橋和逆變橋的直流電壓同時反號，能量返送交流電網，系統可再生。 7. 適用于頻繁加減速和變動負載的場合。,9.4.2 交直交變頻調速,一般采用電壓型逆變器。 1.種類 1)變幅PWM型變頻器（直流電壓可變） l 整流器晶閘管整流器，用來調壓； l 逆變器用來調頻（輸出頻率）。 2)恒幅PWM型變頻器（直流電壓恒定） l 整流器二極管整流橋； l逆變器輸入恒定的直流電壓，調節輸出電壓的脈沖寬度和頻率（實現調壓和調頻）。,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）,3)特點： l 電路簡單； l 調節速度快； l

26、 動態響應好。,注： a) 改變調制周期改變輸出頻率。 b) 調制方法：單極性調制和雙極性調制。 c)按載波信號 和參考信號 頻率之間的關系分為：同步式調制和非同步式調制。,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）,2.單極性正弦波脈寬調制法,1)正弦波 與三角波 相交，得到一組幅值 、寬度按正弦規律變化的矩形脈沖。 2)矩形脈沖作為逆變器各開關元件的控制信號。這一組矩形脈沖可用正弦波（虛線）等效。,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）,3)輸出電壓的大小和頻率由 （正弦參考電壓）控制。改變 幅值，就改變脈寬，從而改變輸出電壓大??；改變 頻率，就改變輸出電壓頻率。 4)正弦波最大幅

27、值必須小于三角波幅值。 基本恒定。 5)三角波和正弦波的頻率成正比例地改變，稱為同步式調制。,注：圖12.20所示的是單相脈寬調制波。 對于三相逆變器，載頻三角波可共用，必須有一個三相可變頻變幅的正弦波發生器，兩者相比較，產生三相脈沖調制波。,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）,3.準正弦波脈寬調制變頻調速控制系統（SPWM）,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）, 輸入脈沖列 載波信號 階梯波 脈寬調制波形 監相波形 最后調制波形 逆變器輸出波形,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）,4.適用場合（特點） 1)實現平滑啟

28、動、停車； 2)高效率、寬范圍調速； 3)作為異步電動機變頻調速的供電電源。,注：采用高速開關元件，逆變器輸出脈沖增多， 在輸出低頻時，輸出波形較好。,9.4.3 脈寬調制型變頻調速系統（PWM）,1.用途 l交流電動機調速； l變頻交流電源。,注：單相交流電 三相（或兩相）交流電； 高頻電源 低頻電源。,9.4.4 交交變頻調速,2. 單相單相（直接變頻電路）的交交變頻原理,9.4.4 交交變頻調速,1)共陰極法主電路（VS1、VS3），則得到上正下負的輸出電壓。 2)共陽極法主電路（VS2、VS4），則得到上負下正的輸出電壓。 3)兩組反并聯的可控整流電路，則得到如圖12.24所示的交變電

29、壓，其值由SCR控制角來控制。,9.4.4 交交變頻調速,3.輸出電壓波形方波型、正弦波型 1)三相方波型交交變頻器（主電路）,9.4.4 交交變頻調速,l每相由兩組反并聯的三相零式整流電 路組成。 （、為正組） （、為反組） l各組導通角為T/3（T為周期），每組依次相隔T/6導通。 l同一時刻有一個正組和一個反組同時導通。,9.4.4 交交變頻調速,2)正弦型交交變頻器用于異步電動機調速 l 由兩組反并聯的可控整流器組成。 l不斷調制 角，使輸出平均電壓為正弦波（與直流可逆系統不同之處）。,9.4.4 交交變頻調速,4.與交直交變頻調速相比 1)優點： l 節省中間換流環節，效率高； l低

30、頻波形較好，諧波損耗和轉矩脈動大大減小。 2)缺點： l主回路元件較多； l最高頻率受電網頻率限制。 3)適用場合低速、大容量的場合。如球磨機、礦井提升機等。,9.4.4 交交變頻調速,9.4.5 變頻器 控制實例,轉速給定既作為調節加減速的頻率f指令值，同時經過適當分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定。,采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖,交流異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務是能量的轉換。,各種控制電機有各自的控制任務： 如: 伺服電動機將電壓信號轉換為轉矩和轉速以驅動控制對象；測速發電機將轉速

31、轉換為電壓，并傳遞到 輸入端作為反饋信號。步進電動機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。,控制電機的主要任務是轉換和傳遞控制信號，能量的轉換是次要的。,控制電機的種類很多，常用的幾種:伺服電機、測速電機、步進電機。,對控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、 重量輕、體積小、耗電少、運行可靠等。,第十章 伺服電動機,第十章 伺服電動機,伺服電動機可分為兩類：,伺服電動機又稱執行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉換為軸上輸出的角位移和角速度，驅動控制對象。,伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控 制系統和計算機外圍設備中常用的執行元件。,交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差

32、90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。,勵磁繞組,控制繞組,杯形轉子,內定子,交流伺服電動機結構圖,10.1 交流伺服電動機,勵磁繞組串聯電容C , 是為了產生兩相旋轉磁場。,適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產生所需的旋轉磁場。,交流伺服電動機的接線圖和相量圖:,(a）接線圖,10.1 交流伺服電動機,控制電壓 與電源電壓 頻率相同，相位相同或反相。,交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。,勵磁繞組固定接在電源上，當控制電壓為零時，電機無起動轉矩，轉子不轉。,10.1 交流伺服電動機,加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，

33、由于旋轉磁場的旋轉方向發生變化，使電動機轉子反轉。,加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產生的旋轉磁場的橢圓度不同，從而產生的電磁轉矩也不同，從而改變電動機的轉速。,不同控制電壓下的機械特性曲線 n=f(T), U1=常數,交流伺服電動機的機械特性如圖所示。,10.1 交流伺服電動機,交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止狀態下，能服從控制信號的命令而轉動，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變為零，電動機立即停轉。,但如果交流伺服電動機的參數選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經轉動，即使控制等于零，電動機仍繼續轉動，電動機失去控制，這種現象稱為“自轉”。,如何克服“自轉”現象呢？,10.

34、1 交流伺服電動機,正反向旋轉磁場的合成轉矩特性,當單相勵磁時，在電動機運行范圍0S11時，轉矩為正值，產生電動轉矩，使轉子繼續轉動。反轉時也同樣為電動轉矩。,10.1 交流伺服電動機,現增大轉子電阻，使Sm1,當單相勵磁時，在電動機運行范圍0S11時，轉矩為負值，產生制動轉矩，使轉子停轉。反轉時也同樣為制動轉矩。,10.1 交流伺服電動機,在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的 下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時， 電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。,交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100 W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等

35、系統中。,應用:,10.1 交流伺服電動機,直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相 同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些。,直流伺服電動機的工作原理也與直流電動機 相同。,供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。,U1為勵磁電壓， U2為電樞電壓,直流伺服電動機的接線圖,10.2 直流伺服電動機,由機械特性可知： (1) 一定負載轉矩下，當磁通不變時，U2 n。 (2) U2=0時，電機立即停轉。,電動機反轉：改變電樞電壓的極性，電動機反轉。,直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示,機械特性曲線如圖所示。,直流伺服電動機的 n=f(T)曲線(U1=

36、常數),10.2 直流伺服電動機,直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用于功率稍大的系統中，如隨動系統中的位置控制等。 直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。,應用：,10.2 直流伺服電動機,10.3 PWM控制,PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）,10.3 PWM控制,用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波 正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等 用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等 寬度按正弦規律變化,圖6-3 用PW

37、M波代替正弦半波,SPWM波形脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可,10.3.1 PWM控制的基本原理,10.3 PWM控制,圖:PWM控制電路原理,10.3.1 脈寬調制控制電路的工作原理,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(一) 鋸齒波脈寬調制器,圖:鋸齒波脈沖寬度調制器,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(二) 三角波脈寬調制器,圖： 三角波脈寬調制器電路,10.3 PWM控制,10.3.2 典型電路,(三)數字式脈寬調制器,數字式脈寬調制器可隨控制信號的變化而改變脈沖序列的占空比/T。在數字式脈

38、寬調制器中，控制信號是數字，其值確定脈沖的寬度。當維持調制脈沖序列的周期不變，通過改變脈沖的寬度，就能達到改變占空比/T的目的。,10.3 PWM控制,用軟件方式來實現，即通過執行軟件延時循環程序交替改變端口某個二進制位輸出邏輯狀態來產生脈寬調制信號，設置不同的延時時間得到不同的占空比。 優點：簡單、靈活、省硬件 缺點：需要占用CPU許多處理時間，對微處理機的速度要求很高，于控制不利； 用硬件電路自動產生PWM信號，不占用CPU處理的時間。,用微處理機來實現數字脈寬調制極其容易，通常的方法有兩種：,圖： 計數比較式PWM電路,10.3 PWM控制,圖：電路變速直流風扇電機驅動器THMC40/4

39、1,10.3 PWM控制,THMC40/41是一種二相直流風扇無刷電機驅動器；可用于需要PRM速率控制的12V散熱風扇的控制。 可對直流風扇進行速率控制而無需外部功率驅動 通過VPWM電壓改變運行周期，可在11%100%范圍內以PWM控制方式來調節風扇速率。 功耗低，睡眠模式下的典型電流值僅為300A。 具有速率信號或鎖定轉子檢測信號輸出。 具有熱關斷保護功能，當芯片結溫超過165時會自動關閉。,圖：電路變速直流風扇電機驅動器THMC40/41,10.3 PWM控制,第十一章 步進電動機,特點: (1) 來一個脈沖，轉一個步距角。 (2) 控制脈沖頻率，可控制電機轉速。 (3) 改變脈沖順序，

40、可改變轉動方向。,步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移的電氣執行元件，電機繞組每接受一個脈沖，轉子轉過相應的角度（即步距角），低頻率運行時，明顯可見電機軸是一步一步轉動的，故稱為步進電動機。,由于步進電動機的這一工作職能正好符合數字控制系統要求，因此它在數控機床、鐘表工業及自動記錄儀等方面都有很廣泛的應用,下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。,定子內圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子有四個齒。,10.1 步進電動機的工作原理,1,反應式步進電機利用定子繞組通電勵磁， 產生反應磁阻轉矩實現轉動。,如圖示，定子有三對磁極 A-A，B

41、-B，C-C，若轉子有40個齒，則轉子的齒距角為：,定子每相磁極有5個齒，其齒距寬度 與轉子一樣，則相鄰兩個齒的夾角必 定是9。,10.1 步進電動機的工作原理,由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。,10.1 步進電動機的工作原理,當A相磁極與轉子的齒對齊時，即定子齒與轉子齒對齊時，磁導率最大，磁阻最小，就會產生右圖所示的B、C相磁極錯齒情況：,在B相磁極中心線上應是m號齒：,顯然，B相磁極中心線是轉子的第13個齒再過3的地方，即B相磁極的齒與轉子齒相差3,同理，C相磁極中心線上應是n號齒：,即C相磁極中心線是轉子的第26個齒再過

42、6的地方，換而言之，C相磁極的齒與轉子齒相差6,依次按A-B-C-，A-B-C通電流，轉子就跟隨磁場一步一步轉動，若需反向轉動，只需改變通電相序A-C-B，A-C-B。,2,10.1 步進電動機的工作原理,1.三相單三拍,A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A極對齊。,“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環。,10.2 步進電動機的工作模式,同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4 齒和B、B

43、磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子 再轉過30角，1、3齒和C、C磁極軸線對齊。,10.2 步進電動機的工作模式,這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環周期，一個循環周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。,按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30(步距角)，每個通電循環周期(3拍)磁場在空間旋轉了360而轉子轉過90(一個齒距角)。,2. 三相六拍,按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。,10.2 步進電動機的工作模式,A相通電，轉子1、 3齒與A、A 對齊。,A、B相同時通電， A、A

44、 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達左圖所示位置。,10.2 步進電動機的工作模式,B 相通電，轉子2、 4齒與B、B 對齊,又轉 過15。,B、C相同時通電， C 、C 磁極拉住1、3 齒，B、B 磁極拉住 2、4齒，轉子再轉過 15。,10.2 步進電動機的工作模式,三相反應式步進電動機的一個通電循環周 期如下：AAB B BC C CA，每個循 環周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角）， 一個通電循環周期(6拍)轉子轉過90 (齒距角)。,與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更 小，更適用于需要精確定位的控制系統中。,3. 三相雙三拍,按AB BC CA的順序

45、給三相繞組輪流通 電。每拍有兩相繞組同時通電。,10.2 步進電動機的工作模式,與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環周期也分為三拍。每拍轉子轉過30 (步距角)，一個通電循環周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。,10.2 步進電動機的工作模式,3,三相反應式步進電機的三種運行方式：,單三拍時： ABC,ABC,10.2 步進電動機的工作模式,4,雙三拍時：,單雙拍（即六拍）時：,ABBCCA, ABBCCA,AABBBC CCA,-A ABBBC CCA ,10.2 步進電動機的工作模式,10.2 步進電動機的工作模式,從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：,實用步進電機的步距角多為3和1.5 。,10.2 步進電動機的工作模式,按轉子結構分為三種：,反應式(VR，Variable Reluctance）,永磁式(PM，Permanent Magnet),混合式(HB,Hybrid),按勵磁相數分：有三相、四相、五相等步進電機,按運轉方式分：有旋